Technologie der Werkstoffe

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1 Jürgen Ruge Technologie der Werkstoffe für Studenten des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik ab 1. Semester Mit 272 Bildern und 56 Tabellen 4., überarbeitete Auflage Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Ruge, Jürgen: Technologie der Werkstoffe: rur Studenten d. Maschinenbaus u.d. Verfahrenstechnik ab 1. Sem./JÜrgen Ruge. - 4., überarbeitete Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg ISBN ISBN (ebook) DOI / Prof. Dr.-Ing. Jürgen Ruge ist Inhaber des Lehrstuhls für Schweißtechnik und Werkstoff technologie der Technischen Universität Braunschweig 1. Auflage Auflage , durchgesehene Auflage 1983 Nachdruck 1984 (Bis zur 4. Auflage erschien das Buch in der Reihe uni-text.) 4., überarbeitete Auflage 1987 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1987 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere rur Vervielf<iltigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig ISBN

3 111 Vorwort Die Werkstoff technologie ist ein Teilgebiet der Werkstoffwissenschaften. Der Ausdruck "Technologie" als Begriff bedarf dabei einer neuen Definition, da er z.z. in unterschiedlicher Bedeutung verwendet wird. Hier soll unter Werkstofftechnologie die Lehre von der Erzeugung und Verarbeitung der Werkstoffe zu Halb- und Fertigfabrikaten verstanden werden. Das Buch wendet sich in erster Linie an Studenten der Ingenieurwissenschaften und lehnt sich an eine entsprechende Vorlesung an, die vom Verfasser am Institut für Schweißtechnik und Werkstofftechnologie der TU Braunschweig gehalten wird. Der Zwang zur Stoftbegrenzung fuhrt dazu, daß die Nichteisenmetalle trotz ihrer Bedeutung nur gestreift werden können. Da die Maschinenbaustudenten in den ersten Semestern vorwiegend mit naturwissenschaftlichen Grundlagen konfrontiert werden, hinter denen die Ingenieurwissenschaften zunächst zurücktreten müssen, wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Fragen der Werkstoff technologie möglichst praxisnah zu gestalten. Dies kommt insbesondere zum Ausdruck in der Behandlung der für die Massenfertigung bedeutsamen spanlosen Umformverfahren, der Gießereitechnik und der Materialprüfung. Dagegen konnten die spangebenden Umformverfahren und die Schweißtechnik nicht berücksichtigt werden. Das außergewöhnlich umfangreiche Bildmaterial soll das Verständnis fur den dargebotenen Stoff erleichtern und dem Studenten unnötige Zeichenarbeit ersparen. Herrn Dr.-Ing. W. Hermkind sowie meinen Mitarbeitern, den Herren Dipl.-Phys. H.-D. Wallheinke und H. Wäsle sei flir ihre Unterstützung bei Abfassung und Korrektur des Manuskriptes herzlich gedankt, desgleichen Frau G. Käter fur die Anfertigung der Gefugeaufnahrnen und Herrn P. Schindler flir die Herstellung der zahlreichen Zeichnungen. Dem Verlag schließlich, insbesondere Herrn A. Schubert, gilt mein besonderer Dank fur sorgfältige Drucklegung und angenehme Zusammenarbeit. Braunschweig, im Juli 1971 JürgenRuge

4 IV Vorwort zur 2. Auflage Für die zweite Auflage wurde eine veränderte Gliederung gewählt, um den,,roten Faden" deutlich werden zu lassen, der von den wichtigsten werkstoffkundlichen Grundlagen über die Werkstoffherstellung und Werkstoffprüfung sowie die Weiterverarbeitung zu Halbzeugen und Fertigfabrikaten bis zur Anwendung fuhrt. Nicht verändert dagegen hat sich der Zweck des Buches als vorlesungsbegleitende Unterlage für Studenten der Ingenieurwissenschaften. Alle Kapitel wurden auf den neuesten Stand gebracht und teils gestrafft, teils ergänzt, wobei darauf geachtet wurde, den Gesamtumfang nicht zu vergrößern. Ergänzungen finden sich bei der Stahlherstellung (Gasreduktionsverfahren, OBM-Konverter, AOD-Verfahren, Vakuumguß), bei der Behandlung der NE-Metalle (Leichtmetalle, Hartmetalle), der nichtmetallischen Werkstoffe (keramische Werkstoffe, Kunststoffe: Verformungsverhalten bei Erwärmung, elektrostatische Aufladung, neue Fluorkunststoffe, Schaumstoffe, Metallisieren von Kunststoffen). Im Bereich Werkstoffprüfung wurde DIN berücksichtigt und bei der Weiterverarbeitung die thermomechanische Behandlung erwähnt. Kurze Abschnitte über Pulvermetallurgie, Bandgießen und Gießwalzen wurden eingefügt. Neu sind Übersichten über das Schweißen, Löten und Kleben von Metallen sowie die entsprechenden Fügeverfahren für Kunststoffe. Im übrigen wurden bei der überarbeitung neue Normen ebenso berücksichtigt wie die konsequente Anwendung der physikalisch-technischen Maßeinheiten des SI-Systems (Systeme International d'unites) gemäß dem Gesetz über Einheiten im Meßwesen vom 2. Juli JürgenRuge Vorwort zur 4. Auflage Da die dritte Auflage als nahezu unveränderter Nachdruck erschienen ist, war für die nunmehr vorliegende vierte eine gründliche Überarbeitung und Ergänzung erforderlich. Sie bezieht sich auf geänderte Normen für Stahl, Eisengußwerkstoffe und Nichteisenmetalle, die Stahlherstellung einschließlich Sekundärmetallurgie und Sonderverfahren, aber auch auf verstärkte Kunststoffe und auf die Weiterverarbeitung durch Umformen. Um den Charakter des einführenden Lehrbuchs zu wahren, liegt wie bisher, bei Beschränkung des Umfangs auf das Notwendige, das Schwergewicht nicht auf Vollständigkeit, sondern auf der Vermittlung wichtiger Grundlagen. Braunschweig, im Juli 1987 JürgenRuge

5 v Inhaltsverzeichnis 1 Der Begriff "Werkstoff technologie" Einführung in die Werkstoffkunde Kristallisationsformen Entstehung von Kristallen Bindekräfte Platzwechsel, Leerstellen, Diffusion Legierungen Zustandsschaubilder für Zweistofflegierungen Zustandsschaubilder für Dreistoffsysteme Das Eisen-Kohienstoff.Schaubild Erstarrungs- und Umwandlungsvorgänge bei Stahl Erstarrungs- und Umwandlungsvorgänge bei weißem Gußeisen Erstarrungs- und Umwandlungsvorgänge bei grauem Gußeisen Gefüge und Wärmebehandlung von Stahl Gefüge Wärmebehandlung Kennzeichnung der Werkstoffe Im Maschinenbau übliche Stähle Unlegierte Baustähle Legierte Stähle Stahlguß Gefüge, Wärmebehandlung und Eigenschaften von Gußeisen Gußeisen mit Lamellengraphit Temperguß Gußeisen mit Kugelgraphit

6 VI Inhaltsverzeichnis 7 Herstellung von Eisen und Stahl Erzeugung von Roheisen Eisenerz Koks Zuschläge Hochofen Erzeugnisse des Hochofens Entwicklungstendenzen im Hochofenbau Andere Verfahren zur Erzreduktion und Herstellung von Roheisen Stahlherstellung Chemische Vorgänge beim Frischen Frischverfahren Vergießen von Stahl Sekundärmetallurgie Pfannenmetallurgie Vakuummetallurgie Umschmelzverfahren Sonderverfahren zur Herstellung hochlegierter Stähle Energierückgewinnung und Umweltschutz Im Maschinenbau übliche Nichteisenmetalle (NE-Metalle) NE-Leichtmetalle NE-Schwermetalle.... Hartmetalle Nichtmetallische Werkstoffe Reine und abgewandelte Naturstoffe Keramik Synthetische Kunststoffe - Plaste Kunststoffuerstellung Der innere Aufbau der Kunststoffe Eigenschaften der Kunststoffe Die wichtigsten Kunststoffe und ihre Anwendung Weichmacher, Gleitmittel, Füllstoffe, Antistatika Schaumstoffe Faserverstärkte Kunststoffe Metallisieren von Kunststoffen Werkstoffprüfung Prüfverfahren ohne Zerstörung des Werkstückes Prüfverfahren mit Zerstörung des Werkstückes Prüfung der physikalischen Eigenschaften... " Prüfung der mechanisch-technologischen Eigenschaften

7 Inhaltsverzeichnis VII Der Zugversuch Der Druckversuch Der Biegeversuch Die Härteprüfung Der Kerbschlagbiegeversuch Der Dauerschwingversuch Der Zeitstandfestigkeitsversuch Verarbeitung metallischer Werkstoffe Warmformgebung Werkstoffverhalten beim Umformen Verfahren zur Warmformgebung Schmieden Warmwalzen Herstellung von nahtlosen Rohren Herstellung von geschweißten Rohren Strangpressen Kaltformgebung Biegeumformen Tiefziehen Streckziehen Drücken Draht-, Stangen- und Rohrziehen Fließpressen Kaltwalzen Hochgeschwindigkeitsumformen (Hochenergieumformen) Gießereitechnik Werkstofffragen Gußeisen NE-Metalle Das Modell Die Form Nachbehandlung Regeln für den Konstrukteur und Gießerei-Ingenieur Stoffgerechter Entwurf Gießgerechter Entwurf Formgerechter Entwurf Herstellung von überzügen auf Stahl Pulvermetallurgie Schweißen, Löten und Kleben von Metallen Schweißen von Metallen Löten von Metallen Kleben von Metallen

8 VIII Inhaltsverzeichnis 12 Verarbeitung der Kunststoffe Umformen Spanen Schweißen und Kleben von Kunststoffen Schweißen von Kunststoffen Kleben von Kunststoffen Literatur 223 Sachwortverzeichnis